S頻段寬帶3dB定向耦合器的設計

西安交通大學城市學院 韓星星

S頻段寬帶3dB定向耦合器的設計

西安交通大學城市學院 韓星星

介紹了用寬邊耦合來實現的2～3GHz、耦合度為3dB的寬帶帶狀線定向耦合器，提出一種改進的寬帶3dB電橋的設計方案，這種電橋具有體積小，差損低，穩定性好以及易于生產、調試的優點。利用HFSS軟件進行優化設計，最終實測結果和仿真結果基本吻合，驗證了研究結果的一致性。

3dB電橋；奇偶模分析法；小型化

1.引言

定向耦合器是微波系統中應用廣泛的一種微波器件，它的功能是將微波信號按一定的比例進行功率分配。在實現各種功能的微波組件以及整機中，都能看到定向耦合器發揮作用[1]。3dB電橋是通信系統中常用的無源器件，尤其是在射頻、微波電路與系統中應用廣泛，本文描述的2-3GHz寬帶3dB電橋是S頻段饋源系統的重要組成部分，為了其使用在饋源中節省空間，有利于和其他器件連接，達到饋源系統小型化、緊湊型的目的，應使電橋體積小、穩定性好，并易于生產、調試。

2.基本原理

定向耦合器的主要技術指標有耦合度、定向度、隔離度、輸入駐波比和工作帶寬[2]。

微波電路理論中通常采用奇偶模分析法來推導定向耦合器的主要參數，定向耦合器輸入傳輸線特性阻抗Z0與耦合線的偶模阻抗Zoe、奇模阻抗Zoo滿足如下關系[3]：

根據耦合度定義可以推導出耦合度C和耦合系數k之間的關系為：

3.設計方法

3.1 寬邊耦合帶狀線的分析

已知奇偶模阻抗Z0e和Zoe，填充介質的相對介質re以及上下接地板間距b的條件下：

3.2 計算W和S

采用上述奇偶模分析方法可以設計3dB定向耦合器。由于在耦合較強時，選擇窄邊耦合時微帶線間距很細，工藝上很難保證其精度，所以選取寬邊耦合的帶狀線的結構。

工作波段為S波段（2-3GHz），中心頻率 f0= 2 .5GHz ，輸入輸出傳輸線特性阻抗 ，耦合系數 。(2)式計算出耦合系數為0.7079，由(1)式可求出奇偶模的特性阻抗分別為 z0o=z0=20.6778 z0e= 1 20.9025。選取上下介質板的間距為b=9.5mm，根據(3)-(4)式，再使用Ansoft公司的HFSS 11進行優化，得到W=1.6mm，S=0.4mm，耦合區的長度L為中心頻率的四分之一波長，即L=20.7mm。

4.設計結果

根據上述計算數據，利用HFSS 11進行仿真分析，其模型如圖1所示，設計的3dB電橋的基本指標為：頻率2-3GHz，反射損耗<-27.9dB，隔離度>27.8dB，相位差（耦合口超前直通口） ，耦合度2.7-3.4dB。

5.改進的3dB電橋的設計

5.1 優化設計

上述圖1中的3dB電橋雖然也能滿足指標要求，但4個出口不在同一平面上，體積較大，作為前饋系統的重要組成部分，難以滿足饋源系統小型化設計的要求，因此縮小3dB電橋的體積對整個前饋系統的小型化、緊湊型設計意義重大；另一方面，耦合棒中間的介質片不容易填充，容易引起兩個耦合棒的松動，不易定位，影響耦合器的特性。因此，我們重新設計出了一種耦合片式的3dB定向耦合器，其模型如圖2所示。這種電橋4個出口在同一平面上，體積小，差損低，穩定性好，并且具有易于生產、調試的優點。

5.2 設計結果

根據同樣的設計方法得到設計的3dB電橋的基本指標為：頻率2-3GHz，反射損耗<-23.1dB，隔離度>23.5dB，相位差（耦合口超前直通口） ，耦合度2.87-3.21dB。

5.3 實驗結果

改進的3dB電橋采用平行耦合帶狀線結構，接口均為SMA-K。耦合片之間的介質片為聚四氟乙烯材料，介質片厚度過大（耦合縫隙大），耦合量變小，反之，耦合量變大。按設計要求介質片厚度為0.39毫米，實際加工精度可達到0.35-0.4毫米，實際調試中的厚度可以在這個范圍內選取。電橋測試利用Agilent E8363C矢量網絡分析儀，測試結果各項技術指標記錄為：頻率2-3GHz，反射損耗<-25.9dB，隔離度>29.0dB，相位差（耦合口超前直通口） ，耦合度2.87-3.10dB，可以看出最終測試的各項指標都達到了設計的要求。

圖1 3dB耦合器的HFSS仿真模型

圖2 改進3dB耦合器的HFSS仿真模型

6.結論

本文介紹了帶狀線定向耦合器的設計方法，使用耦合帶狀線的方法設計出帶寬為2-3GHz，耦合度為3dB的定向耦合器，指標性能優異。并改進了電橋的結構，具有體積小，差損低，易于生產、調試等優點，根據仿真結果制作了實物，實物測試結果與仿真結果基本一致，達到了設計指標的要求。

[1]徐嗣范.微波元件原理與設計[M].北京:人民郵電出版社,1982:168-171.

[2]顧繼慧.微波技術(第1版)[M].北京:科學出版社,2004.

[3]清華大學編寫組.微帶電路[M].北京:人民郵電出版社,1975.

韓星星（1983—），女，山西呂梁人，碩士，現供職于西安交通大學城市學院物理教學實驗中心，研究方向：電磁場與微波、無線電物理。